У своїй роботі я всяк раз стикаюсь з фактом нерозуміння учнями шкіл і студентами принципів, які лежать в основі хімії. Причина цього закладена у середній школі, коли тільки-но починається вивчення цього предмету. У подальшому учні можуть досить добре засвоїти різні розділи, але глибокого їх розуміння немає. Вони, наприклад, можуть впевнено розписати реакції утворення середніх солей, добре знають, що таке основні та кислі солі, однак у них виникають труднощі з написанням кількості атомів Н і -ОН груп у цих солях. Далі ці проблеми розростаються подібно до снігової кулі. В результаті виникає ситуація, коли сильні учні не можуть дати собі ради з певними питаннями. Так одна з учениць 10-го класу, дуже сильна, кмітлива дівчина, з миттєвою реакцією, не розрізняла силу кислоти та її хімічну активність. Якщо HF роз’їдає скло, а HI ні, то як це може бути, що кислота HF слабше за кислоту HI?! Для неї це був парадокс. Це суто побутове розуміння сили кислоти. Знадобилось чимало зусиль для подолання цього стереотипу. Часто такі учні мають високу самооцінку в школі, але прийшовши до ліцею чи вузу починають розуміти, що їх знання предмету не є на належному рівні.
То у чому причина цих проблем? Вона не у тому, що в школі не дають визначення терміну „кислота” за Брьонстедом і за Льюсом. Вона полягає у тому, що на самому початку вивчення хімії у дітей немає чіткого, ясного уявлення про будову атому, хімічні зв’язки та як це все співвідноситься з періодичною таблицею елементів. Ці питання у школі розглядаються, але поверхнево. Цього недостатньо для подальшого успішного просування у хащі хімії. Вивчення хімії починається з розбору дуже складного матеріалу, з того, що не можна побачити, не можна помацати. Діти ні з чим подібним досі не зустрічались. Їм неймовірно тяжко це все уявити. Але альтернативи немає! В такий ситуації все залежить від майстерності вчителя. Він повинен не просто добре знати матеріал, а спромогтися у простий, доступний спосіб викласти його учням. Зробити це дуже складно. Ось тут на допомогу приходить АНАЛОГІЯ. Тобто, якщо викладач здатний фантазувати та імпровізувати, все буде гаразд.
Аналогія – універсальний метод. Його застосування ґрунтується на тому, що в основі функціонування усіх систем лежать одні й ті самі принципи. Для ілюстрації цього я наводжу приклад 3-го закону Ньютона: дія дорівнює протидії. Якщо перше тіло діє на друге, то й друге з такою силою діє на перше. Що є аналогією цього закону в хімії? Принцип Ле-Шательє (зміщення рівноваги між продуктами реакції та вихідними реагентами). Що є аналогією у біології? Реакція організму на несприятливий зовнішній фактор (збільшення, наприклад, концентрації фізіологічно активної речовини призводить до посилення реакції відповіді та намагань організму протидіяти несприятливому впливу через перебудову шляхів метаболізму). Що є аналогією у соціології? Відносини начальник – підлеглий (тиск з боку начальника призводить до конфлікту або до хитрувань з боку підлеглого чи до замкнутості останнього).
Не знаєте, як розв’язати наукову проблему – не зациклюйтесь, шукайте аналогію у суміжній або зовсім іншій галузі. Студенти не розуміють якийсь процес – знайдіть аналогію.
Нажаль в наших школах і університетах цей принцип недооцінюють або зовсім не беруть до уваги. Тут є чому повчитись у зарубіжних колег. Відносно нещодавно на заході вийшла книга Пауля Кригера, назву якої можна перекласти як „Путівник з візуальної аналогії в хімії”. Вона поповнила серію книг присвячених методу аналогії у різних науках. Описання хімічних процесів доповнюється чудовими ілюстраціями. Так, наприклад, поняття електронегативності та полярності зв’язку супроводжується картинкою, на який двоє чоловіків перетягують канат.
Будову атому традиційно представляють за допомогою моделі Бора, що є аналогічною Сонячній системі. При цьому часто кажуть, що орбіталі є аналогами планетарних орбіт. І на цьому все. Однак, не орбіталі, а енергетичні рівні є аналогами орбіт. Немає двох планет, у яких відстань до Сонця однакова, а електронних орбіталей з однаковою відстанню до ядра може бути кілька. Аналогія з Сонячною системою закінчується тоді, коли енергетичні підрівні описуються як результат розщеплення енергетичних рівнів. Далі можна перейти до іншої аналогії: кожна людина має свою адресу, і кожен електрон має свою адресу. Немає в одній країні двох чужих людей з однаковими адресами, немає в атомі двох електронів з однаковими адресами. Адреса людини починається з назви міста – це головне квантове число (характеризує енергетичний рівень), далі вказується назва вулиці – це орбітальне квантове число (характеризує енергетичний підрівень), потім йде номер будинку – магнітне квантове число (характеризує орієнтацію електронів), останнім буде номер квартири – спін.
Далі, порядок заповнення орбіталій при графічному зображенні електронних конфігурацій – принцип маршрутки. По-перше, люди сідають поближче до водія (виходу), щоби не штовхатись при виході і витрачати менше енергії. Так й електрони, чим ближче до ядра, тим менше їх енергія. По-друге, людина, що зайшла в маршрутку, сідає там, де пара крісел є вільною. Тільки у тому разі, якщо на кожній парі крісел вже хтось сидить, вона буде змушена до когось підсісти. Все як у електронів в атомі!
Хімічний зв'язок можна представити як двох людей, що простягають один одному руки. Люди - це два атоми, їх руки – валентності, риски, які зображують на структурних формулах. Риски не можуть закінчуватись у порожнечі, вони ведуть до іншого атому. Долоні – це валентні електрони. Люди взялись за руки – це утворилась зона перекриття валентних електронів. Якщо люди зчипились тільки пальцями, такий зв'язок слабкий, альпініст не зможе втримати колегу, який висить над прірвою. Це аналогія π-зв’язку, коли зона перекриття орбіталей менше, ніж в іншому типі зв’язку – σ-зв’язку. При σ-зв’язку альпіністи хапають один одного не за пальці, а за зап’ястки. Це міцний зв'язок, його тяжко розірвати, і альпініста буде врятовано!
Для кожного розділу хімії можна знайти свої аналогії. Головне, щоби працювала уява. Студенти самі зможуть щось запропонувати, достатньо лише підкинути їм ідею чи навести якийсь приклад. Тож давайте фантазувати!
